換能器間距對(duì)柔性聲表面波器件性能的影響

何興理, 黃詩浩，林金陽

(福建工程學(xué)院 微電子技術(shù)研究中心，福建 福州 350118)

1885年，英國物理學(xué)家瑞利(Rayleigh)在對(duì)地震波的研究中發(fā)現(xiàn)并從理論上闡明了在彈性固體內(nèi)除了存在縱波和剪切波外，還存在一種彈性波。這種彈性波沿半無限固體表面?zhèn)鞑?，其能量集中于彈性體的淺表層內(nèi)，其振幅隨著傳入基片材將的深度的增加而迅速減少，這種波就是聲表面波(surface acoustic wave, SAW)，也叫瑞利波[1]。聲表面波的傳播速度介于1 000～10 000 m/s，比電磁波傳播速度低4～5個(gè)數(shù)量級(jí)，人們利用該特點(diǎn)結(jié)合現(xiàn)代的集成電路技術(shù)制備的SAW器件具有重復(fù)性好等特點(diǎn)[2]，可用于紫外光探測(cè)[3-4]、壓強(qiáng)傳感器[5]、通信等領(lǐng)域[6]。

人們用AIN、ZnO、PZT等各種材料作為壓電薄膜[7-9]進(jìn)行測(cè)試，通過器件波長、薄膜厚度等方面對(duì)柔性SAW器件性能展開大量的研究[10-11]；還從優(yōu)化SAW器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如減小叉指電極對(duì)數(shù)、獲得較小的帶寬、減小指寬，獲取更高頻率等方面開展研究。目前在叉指換能器 (interdigital transducer, IDT)間距對(duì)SAW器件性能的影響方面開展研究較少。本研究基于ZnO/PET結(jié)構(gòu)的柔性SAW器件，分析IDT的間距對(duì)器件傳輸特性的影響，有助于為柔性SAW器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 制備與表征

1.1 ZnO 薄膜制備

ZnO薄膜通過磁控濺射法獲得。 它以純度為99.999%的Zn金屬靶做靶材(直徑100 mm,厚度3 mm)，基板溫度固定在100°，靶材與基板的距離為70 mm，真空度為1×10-4Pa，通入氧氣(99.99%)與氬氣(99.99%)混合氣體，流量分別為60、100 sccm 。沉積氣壓維持在1 Pa,濺射功率為100 W，偏置電壓100 V，濺射5min獲得性能優(yōu)良的ZnO薄膜[12]。

圖1 XRD光譜中34.3o處的波峰證實(shí)了(0002)晶體取向，26.1o處較小的峰則對(duì)應(yīng)于PET基材(100)方向。ZnO膜的厚度介于3.5～4.5 μm。

圖1 PET基板上ZnO薄膜的XRD圖

1.2 SAW器件制備

柔性SAW波器件也采用傳統(tǒng)的紫外線設(shè)計(jì)制造光刻和剝離工藝。通過熱蒸發(fā)法在壓電基板上沉積Al膜，其厚度大概為100 nm，再將柔性PET粘貼在硅晶上，以實(shí)現(xiàn)更好的處理。SAW器件制備過程如下：

(1)將光刻膠通過勻膠機(jī)均勻的涂在ZnO膜上。

(2)將ZnO /PET硅晶片放在加熱板上，在110°的潔凈箱里烘烤10 min，使光刻膠內(nèi)的有機(jī)溶劑能否充分揮發(fā)，增強(qiáng)膠膜與襯底的黏附性。

(3)進(jìn)行曝光，將掩模版上IDT的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上；曝光后，將晶片浸入丁酮顯影，顯影至圖形的邊緣線條清晰為準(zhǔn)。

(4)顯影后經(jīng)過120°下，10 min的烘烤，增加顯影后光刻膠預(yù)襯底的粘附性。

(5)采用磷酸稀釋液對(duì)Al進(jìn)行腐蝕。

(6)最后進(jìn)行去膠，最終器件如圖2所示。

圖2 ZnO / PET上的柔性SAW的3D示意圖

圖2中，所有的SAW器件的IDT電極均由20對(duì)叉手指組成。每個(gè) IDT內(nèi)電極的間隔為3.5 μm， 兩個(gè)IDT之間的距離為10、20、30、50λ，分不同組進(jìn)行測(cè)試。反射器(reflective gratings)用來增強(qiáng)駐波的強(qiáng)度。

2 測(cè)試結(jié)果分析

如圖2所示，在輸入叉指換能器上加一個(gè)電信號(hào)，就會(huì)在輸入又指換能器的兩根匯流條上產(chǎn)生極性相反的電勢(shì)，進(jìn)而在相鄰的指條對(duì)間產(chǎn)生電場(chǎng)強(qiáng)度相反的電場(chǎng)。由于PET基底具有逆壓電效應(yīng)，在電場(chǎng)的作用下，ZnO薄膜表面就會(huì)發(fā)生機(jī)械形變。如果所加的電信號(hào)是交變的，ZnO薄膜表面的形變就會(huì)以波的形式沿ZnO薄膜表面?zhèn)鞑コ鋈ァＫ?lì)的聲表面波傳播到輸出又指換能器時(shí)，會(huì)促使輸出叉指換能器下面的ZnO薄膜也發(fā)生機(jī)械形變。由于基底也具有正壓電效應(yīng)，會(huì)在ZnO薄膜的某些方向上產(chǎn)生電荷；由于叉指電極的存在，電荷會(huì)積累在由極上，在輸出叉指換能器的匯流條上就能夠檢測(cè)到相應(yīng)的電信號(hào)，而這個(gè)電信號(hào)可用S參數(shù)來表示[2]。

S參數(shù)(即散射參數(shù))包含信號(hào)的幅度和相位等信息，利用S參數(shù)基本能確定柔性SAW器件的特征。因此用S參數(shù)評(píng)估被測(cè)器件的反射信號(hào)和傳送信號(hào)?；赯nO/PET的柔性SAW器件的S參數(shù)將使用Agilent E5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)量。

圖3比較了具有不同SAW間距的兩端口SAW諧振器的S參數(shù)。器件通過相同的工藝制造，兩個(gè)IDT之間的距離分別為10、20、30、50λ，波長固定為12 μm。反射光譜存在兩個(gè)明顯的下降，分別對(duì)應(yīng)于諧振模式1和模式2?；夭〒p耗在S11光譜中隨機(jī)分布，如圖3(a)。對(duì)于某些制造的器件，具有50λ IDT間距的器件甚至比30λ IDT間距器件具有更好的性能，表明IDT間距對(duì)反射特性幾乎沒有影響。然而，如果考慮透射光譜，如圖3(b)所示，當(dāng)間距增加時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)兩種模式的共振峰都存在明顯的衰減。具有10λ IDT間隔的器件在模式1的插入損耗為-41 dB，而當(dāng)IDT間隔為50 λ時(shí)，插入損耗將增加至-55 dB。

圖3 具有不同IDT間距的兩端口SAW器件的比較(IDT對(duì)數(shù)為20)

如圖4所示，對(duì)于IDT距離超過50λ的SAW器件，在透射光譜(幅度<3 dB)中幾乎找不到明顯的峰值。因此，在柔性聚合物基板上構(gòu)建的SAW濾波器的透射特性嚴(yán)重依賴于IDT的間距，這是聚合物基材的高能耗造成的?？傮w而言，基于剛性基底的SAW濾波器，其IDT的間距通常超過100λ，但基于聚合物基底的柔性SAW濾波器則不然。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)ZnO薄膜的厚度與器件波長相當(dāng)時(shí)，兩個(gè)IDT之間的間距不應(yīng)大于40λ。柔性聲表面波器件的插入損耗要大于基于剛性基板的插入損耗。為了制造具有更好傳輸特性的器件需要增加IDT的數(shù)量，但是其器件的性能仍然很難與具有完全相同的IDT配置的剛性基板上的產(chǎn)品競(jìng)爭。在通信領(lǐng)域中使用柔性聲波器件作為濾波器等可能不太實(shí)用，但由于它是彎曲的，因此柔性聲波器件對(duì)外部干擾的影響非常敏感，這意味著該器件將在傳感領(lǐng)域方面大有用處。

圖4 具有不同IDT間隔的兩端口柔性SAW器件的傳輸特性比較

3 結(jié)語

在PET基板上成功制備了高質(zhì)量的ZnO薄膜，薄膜厚度介于3.5～4.5 μm，結(jié)合光刻、顯影等工藝，并利用ZnO薄膜成功制備出柔性SAW器件，探索了器件結(jié)構(gòu)中不同的IDT間距對(duì)柔性SAW器件傳輸特性的影響。結(jié)果顯示，在柔性聚合物襯底上構(gòu)建SAW器件時(shí)， IDT間距小于40λ的間距時(shí)，傳輸特性最佳，插入損耗最小。當(dāng)間距大于40λ且逐漸增加時(shí)，衰減也逐漸增加。該結(jié)論可以為進(jìn)一步優(yōu)化柔性聲表面器件的性能奠定了基礎(chǔ)。